美国防部构建向数字时代转型的作战系统体系架构

云脑智库 2022-10-16 00:00 2689浏览 0评论 1点赞

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2022年9月7日，美国国际战略研究中心（CSIS）发布战略技术报告《软件定义战争：构建美国防部向数字时代转型架构》（Software-Defined Warfare: Architecting the DOD's Transition to the Digital Age），作者为美国中央情报局首席技术官和前国防部联合人工智能中心主任。报告关注未来战争对美军的挑战，讨论了美国防部下一代战争作战系统体系架构面临的关键问题并提出了相关建议。

引言

美国的军队预算居世界第一，美国防部的开支、装备和训练都超过了竞争对手。起步于工业时代，美国防部很大程度还是延续以硬件为中心的组织。不幸的是，在今天的世界，硬件是“老派”，在折旧和过度磨损后终会报废。美国防部与几乎所有其他联邦机构都有一个共同特征，即严重落后于商业软件行业的最新技术水平——从后台自主化功能到向客户提供数字作战服务。

美国防部垄断了国家的作战职能，从而避开了通常形式的市场竞争。如今庞大的美国防部机构正在定期的“技术更新”中苦苦挣扎。要想在未来保持主导地位，美国防部需要一种新的设计和架构，能动态地适应不断变化的条件，并以极低的成本提供关键服务。因此，美国防部对新系统的要求是：支持更快的决策和执行速度；允许快速更新和修改；降低构建和部署成本；改善交付新功能的边际成本和速度。

美国防部必须改变构建作战系统的方式。《杀伤链》（The Kill Chain）一书呼吁美国防部建立一个“军事物联网”，包括“大型自主系统网络”和不同的武器系统组合。同样，在制定第三次抵消战略的概念时，美前国防部副部长多年来一直认为需要在美国防部范围内进行重大变革，特别是广泛采用自主系统和人工智能（AI）能力。美国防政策圈经常提及的概念，诸如网络化战争、“马赛克”战争和下一代战斗网络等，都涉及了这个问题，但均没有提出具体技术解决方案。在解决极其困难的技术问题时，领先的商业技术公司通常会预先制定一套关键的架构标准，整个系统将建立在这些标准之上。本文概述了美国防部下一代作战系统所需的架构。

“军事物联网”示意图

这个架构的关键在于软件。软件正在颠覆和重组整个行业，任何企业在获得持久竞争优势之前，软件需要成为商业模式和运营模式的核心，美国防部也不例外。

闭合杀伤链，进入竞争对手的OODA环

“杀伤链”指的是一个多步骤过程，包括接收信息、转化信息(可操作的情报)、决策、采取行动、评估效果，并相应地完善未来行动。同样OODA环指个人、指挥官或团队的观察、判断、决策、行动。OODA环的最后一步是开启或闭合杀伤链，通常与开火和摧毁某物有关，但在不同作战场景下，它也可能包括非动态效应，如对目标实施网络攻击或部署一条假情报，旨在破坏OODA环中敌人的判断，同时保护自己的目标。一般来说，OODA环中能够始终保持更快速、更紧凑、更有弹性的一方将获得优势。

如果作战一方想获得这种优势，战时就需要跟踪、处理数百个（甚至数千个）移动物体，也就要求跟踪处理流程的每一步和数据流都在软件中完成，这样即使决策仍在指挥官和操作员的手中，也能产生相对于对手的决定性优势。相反，在未来的战场上不采取数字时代以软件为中心的方法，很可能意味着战术、作战甚至战略上的失败。

军事硬件和武器系统固然重要。然而，它们需部署在软件系统末端，由软件系统进行决策、目标选择和资源配置的所有复杂性工作。软件更快、更高效、更准确、可扩展的特性将从根本上不可逆转地改变硬件的价值。

数据中心架构的经验教训

借鉴其他领域的经验和教训，有助于为美国防部和其他联邦政府机构提供突破性解决方案。美国防部多年来构建大规模软件系统的工作揭示了如何设计计算机软件和系统，并以最低成本来获得最大性能。这些相同的概念也可以应用于美国防部。

“软件定义”是一个广泛的架构概念，驱动多种核心设计决策。核心设计决策将众多关联性低的硬件产品变成一个集成体，可以作为一个单一的平台来操作和管理。工业领域中使用的大规模计算系统和平台较多是采用“软件定义”方法构建。Amazon Web Services(AWS)和Microsoft Azure等云计算平台,同样依赖于“软件定义网络”(SDN)的“软件定义计算平台”；第五代无线(5G)电信系统也是如此，配置和路由都是通过软件完成。这些大规模平台运行在商品硬件上，使用大规模软件集中处理平台底层的复杂性。同样的关键概念也可以应用到战争中，把成千上万的硬件对象集成为一个单一的软件定义系统。

规模架构

早期的计算机系统和软件允许单个应用程序在单个计算机系统上运行。当计算机系统容量耗尽时，总是投入更多的资源解决问题。这就产生了“垂直扩展”与大型机。随后，为了克服垂直扩展的限制，又创建了“横向扩展”。然而，无论“垂直扩展”还是“横向扩展”，软件本身需要重新架构，以支持这种新的底层系统拓扑。人们意识到必须重新调整甚至重写应用程序，以充分利用云计算所能提供的优势。

美国防部需要大量廉价的、一次性的、易于制造的终端系统，可根据需要进行集中、分布和扩展部署。在较多情况下，这些终端系统几乎不需要维护。如果一个坏了，只需用一个相同的替代品替换它，以降低物流和维护的整体复杂性。美国防部的相关部门已经在考虑这个概念(例如，小型无人机)，但美国防部需要将规模架构思想应用到装备的全流程。

消除单点故障

美国军方目前的设计要点是以硬件和人为中心，并注重大尺寸。航空母舰就体现了这一模式。航母位于一个航母战斗群(CSG)的中心，有许多船只和潜艇负责保护它。摧毁一艘航空母舰则意味着摧毁整个CSG。考虑到航母的大小和占地面积，它就像一个庞大的主机或大型数据库系统。主机或数据库系统崩溃会导致整个系统崩溃。显然，这种单点故障的架构非常脆弱。

无论是在商业领域还是在美国防部，识别和消除这些单点故障对于建立弹性架构都是至关重要的。正如乌克兰战争所预示的那样，数百架(甚至数千架)小型、易损耗、武装、自主成群的无人机攻击CSG，将获得更佳的作战效果，所有这些无人机都可以根据需要水平扩展，攻击敌人阵地最脆弱的部分。

虚拟化

传统军事平台、传感器和工作流程下，系统虚拟化涉及将系统包裹在一组可调用的应用程序编程接口(API)中，允许参与任何电子工作流程，而不进行手动中断。美国防部联合全域指挥与控制(JADC2)演示中，美军演示了基于API的武器系统访问。这意味着这些系统可以集成为电子杀伤链的一部分，并置于整个软件引擎的管理之下。从依赖单个硬件系统和一次性软件程序到使用以API为中心的系统，美国防部这一思维模式的转变至关重要。

虚拟化的第二个方面是设置末端硬件以同时运行多个软件堆栈，所有这些软件堆栈在逻辑上彼此完全隔离，但共享底层硬件平台。动态重新编程或切换到完全不同的工作负载堆栈的能力可以提高硬件的利用率。例如，用户可能希望在一台设备上使用多个电话号码(绑定到SIM卡上)。而对于卫星来说，将卫星群视为能够部署多种/动态工作负载的“计算网格”，可以从根本上改变卫星具有固定功能的传统模式。它们可以像任何灵活的云计算系统一样使用，提供真正的“云中计算”。

低成本商用硬件和无状态端点

从垂直到水平扩展架构转变的核心是使实际的端点系统既无状态又可任意使用，这使即时软件部署和配置成为可能。美国防部应考虑如何将AI新技术集成到现有系统中，以及如何设计不同的新系统。目前，美国防部考虑在多个责任区(AOR)部署一个“全球”硬件平台。随着美国防部在这些系统中集成更多基于AI的软件，为每个AOR训练算法提供的数据会有很大的不同。在数字时代，部署的AI模型必须定期更新。除了Project Maven和美国防部联合人工智能中心之外，美国防部通过连续集成/连续交付(CI/CD)部署人工智能软件的操作实例很少。人工智能软件如果嵌入到硬件系统中，需要支持空中远程连续更新。

同样，一旦危机或冲突开始，现场系统中的错误和问题将需要快速修复。重返战斗的能力将取决于美国防部为这些漏洞打补丁、清理端点以及在再次启动系统之前快速更新系统的能力。如果美国防部采用一种无状态即时软件部署模式，那么闭环这一过程所需的时间将缩短。

仪器设计

美国防部的终端硬件系统需要设计和制造集成有仪器的系统包含远程控制和协调相关的传感器。传感器提供信息读取能力，诸如开/关状态、单位值等，同时这些传感器应与自动化组件的能力匹配，这对于集成了人工智能功能的系统尤为重要。

仪器仪表的关键是实时连接和报告。如果无法实现实时连接，那么最好是当系统恢复连接时，能够同步重要数据。目前，美国防部版本的iPhone sync从直升机、飞机或无人机上获取硬盘数据，然后将运送到安全的数据中心进行下载和处理，这种操作是不可行的。

模拟、测试、验证

计划、演习和军事推演一直是作战准备不可或缺的一部分。在过去的十年里，美国军方一直致力于集成实时、虚拟和建设性(LVC)武器系统。例如，美空军的“虚拟旗”计划从一开始就被设计为LVC联合演习。尽管虚拟旗帜计划在过去几年中取得了相当大的进展，但是目前仍然面临着规模、多级分类系统集成和保真度的综合挑战。综合挑战的关键是科研人员需要找到将信息从操作系统轻松导出或拉入模拟系统的方法。

同时，许多新兴技术如生成性对抗网络和数字孪生等，可以在这些平台上构建和运行。这种方法将允许美国防部使用人工智能技术和其他能力来测试不同的对抗策略和技术，以及探索对抗它们的方法(该领域最有前途的一些工作包括博弈论竞赛)。

为失败而设计，充分利用“混沌猴”

网飞公司开发了一款名为“混沌猴”的开源产品，用于测试复杂且高度可用的软件系统。它会随机杀死软件系统的某些部分，看看它们是否会恢复并继续运行。现在已经扩展到“猿猴部队”系列工具，扩展了测试概念。

美国防部应以两种形式考虑“混沌猴”：第一，作为一种传统的测试产品，美国防部可以用它来测试作战软件系统的主干；第二，在模拟环境中测试作战计划，看看它们在随机和不可控变化情况下是如何实际运行的。

构建自主性和自动化

无人机飞行的限制因素是人员，而不是实际的硬件。研究人员解决这个问题的方法是如何通过更多的自动化和自主性来消除操控人员参与的代价成本，实现人工智能系统。例如，一架单独的无人机负责相关的自主功能，包括起飞、着陆、飞行和一些航线规划。如果它被制定为执行某种功能（识别和跟踪），那么它也应该能够在没有大量人工干预或中央控制系统管理的情况下执行这些功能。但一架无人机不应该负责协调数百架其他无人机的功能，这些统筹功能应该由上级软件来完成，单独的端点应在系统中发挥正确的作用和功能。

集成开发环境与生产

目前，美国防部的核心代码开发环境没有与这些代码在终端的部署紧密结合。考虑到代码部署前需要进行大量的测试和评估，加速这种“开发—生产—部署—维护”的循环对于未来的成功和获得竞争优势至关重要。

集成

美国防部数以千计的硬件和软件系统是由数百个不同的供应商构建的，这就导致没有统一的商业软件核心架构标准。这份报告则提供了这一蓝图。美国防部在设计、开发、部署和维护其所有武器系统和支持硬件时，应该采用这些核心概念。

在这个理想化的架构中，端到端的软件架构连接所有相关的输入(传感器)和输出(武器系统)。这样，所有正确的工作流程(杀伤链)变得更易建模，并且所有的预测情报系统、后勤、瞄准和火力都将集成在几个大规模核心平台的单一架构中。

所有这些大型系统网络的核心（无论是自主的还是手动控制的）将是复杂的、互联网规模的、高度可用的软件，这些软件将所有相关信息整合在一起。底层软件系统将整合美国防部的所有人员、武器、后勤和情报，从而有助于整合美国防部的开发和生产环境，以允许更快速的代码开发、部署和维护。

美国防部完成这种转变需要两个关键步骤。首先，较大的问题需要分解成越来越小的独立部分，允许围绕它们创建结构化接口和API。这一点尤其重要，因为每个军种都运行自己的基础设施和应用程序。第二，美国防部应该建立核心框架，随着时间的推移，系统的其他部分可以围绕这个框架“粘合”起来。这种“松散耦合、高度一致”的体系结构可以通过将更多的部分引入和集成到系统中来进行扩展，而不是对每个部分进行升级或重写。

软件定义战争的理想核心系统架构

美国防部应使用成熟可靠的行业标准和开源最佳实践来构建这类接口(API、REST)、数据交换格式(JSON、XML)、存储和表示方法(时序数据库、事件/管道管理系统)、应用程序包(容器)和运行架构(微服务)。同时，这种方法应该将数据平台与应用逻辑断开，将用户界面和服务与后端数据和应用逻辑断开(通过API和其他接口)。这将允许系统的每一层独立发展，而不必构建高度互连但脆弱的堆栈，避免即使很小的变化也会通过架构波及到系统的每个部分，从而使代码更新变得极其困难和昂贵。

美国防部软件体系结构的核心是跨部门建立和运行的各种软件平台。这些平台在数据/核心逻辑层及其应用之间提供了必要的分界。在这个环境中，构建新的应用程序被极大地简化了，因为聚合、清理和集成数据的所有繁重工作都已经在平台级完成了。此外，美国防部应坚持要求供应商将这些平台和API构建为开放接口，并可免费提供给构建的供应商。这样程序编写人员不必从头开始重新导入、清理和重建整个数据环境，能够以极低的成本快速构建新功能。多家供应商也可以在该平台上开发竞争产品，为美国防部降低成本，提高应用质量。

结论

在未来，战争只会变得更复杂，更混乱，甚至更快。在未来的危机和冲突中，更快适应并展现出最大敏捷性的一方会获得显著的竞争优势。美国防部在这种新的作战环境中保持竞争力的唯一方法是确保使用最有效的武器技术，更具体地说是软件。

美国防部作为工业时代以硬件为中心的组织，向数字化、以软件为中心、风险承受能力更强的组织过渡极其困难，但这也是通向未来成功之路的唯一途径。虽然软件行业中的许多概念可能无法完美地模拟军事硬件和作战，但理解本文中概述的核心概念非常重要。

要把军事目标和硬件看作更大系统的一部分，这个系统是用软件把它们集成在一起的。这不仅可以防止昂贵和稀缺资源受制于传统工作流程，还可以大大加快信息和决策周期。与此同时，通过自主化，军事领导人将有更多时间专注于做出关键决策。

软件定义的战争是未来的发展方向。当然，这绝不意味着指挥决策人员是多余的或无关紧要的。相反，这份报告中描述的方法为人机合作开辟了新机会，在这种情况下，指挥决策人员和机器的角色根据各自最擅长的事务进行优化。任务目标、目的和系统的整体架构仍然都是由研究人员设定。实际操作由软件根据人工设定的参数进行处理，任何异常情况或问题仍会上报给指挥决策人员。

来源：智汇杰瑞

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